生命能否在二维中存在？科学家突破了物理限制
www.zhiqu.org 时间： 2024-06-14
1884 年，一位英国学校的老师Edwin Abbott 写了一个很棒的故事，讲述了生活在一个叫做平地的二维世界中的几何形状的生物。除了作为 社会 评论外，它还从有知觉的二维生物的角度审视了生活会是什么样子。这是一个有趣的概念，这种生物生活在二维空间的想法一直是科幻小说的范畴。但从科学角度来说，理论会允许吗？让我们先看看更高维度的情况。
我们没有看到四个或五个大空间维度的一个原因是，生命不能存在于三个以上的大维度中。为什么呢？因为围绕恒星的稳定椭圆轨道不可能超过三个维度，添加的维度越多，引力就越弱。例如，在四个空间维度中，引力随距离的倒数立方而变化，而不是距离的平方。结果，即使是很小的扰动（例如其他行星的引力），也会使绕太阳运行的地球要么朝向太阳中心，要么螺旋形远离太阳。没有稳定椭圆轨道意味着没有太阳系，也可能没有生命。因此，生命大概不可能存在。
另一个很好的理由是，使用 LIGO 检测到的引力波的最新数据表明不存在更高维度，因为如果存在更高维度，我们预计会看到一些引力泄漏到这些其他维度中。这表现在它到达地球的时间，但我们没有看到这种减弱。因此，如果存在更多的维度，它们就存在于非常小的尺度上，在普朗克长度的尺度上，弦理论的微小弦可以在其中振动。你可能会问：“为什么生命不能在这些小尺度上存在？” 这些尺度是如此之小，以至于连原子都无法适应这些尺度。如果一个原子是地球的大小，这些尺寸甚至比瓢虫还要小！
但是二维呢？为什么生命不能存在于二维？与更高维度不同，我们确定确实存在两个空间维度。大多数科学家认为二维生命是不可能的，但有科学家发现，二维生命存在的障碍并非不可逾越。
有两个主要论据反对二维生命的可能性。首先，根据广义相对论，引力需要三个空间维度和一个时间维度。换句话说，没有足够的自由度让空间在二维中弯曲。其次，科学家们认为，每个神经元需要数百个连接的复杂大脑的神经网络，无法在二维上形成足够的连接，因为与三维相比，连接的数量在物理上是有限的。
如何破解这些问题？让我们从引力问题开始。在二维中，时空如何弯曲并没有足够的自由度，这意味着二维世界并不存在引力。这似乎提出了与四个维度相同的无轨道问题。但是没有什么能迫使引力只能由广义相对论来定义，可能存在其他自由度，例如简单的标量场，它将允许围绕点源的稳定轨道，它实际上等同于二维弯曲。
其余的物理呢？标准模型中的其他三种基本力——强力、弱力和电磁力是否仍然存在？二维不会是限制因素，因为二维为各个方程的工作提供了足够的自由度。例如，二维原子可能存在，因为在原子核中存在将质子和中子结合在一起的强核力。电子可以围绕原子核运行，因为电磁力也应该存在。此外，原则上，希格斯场是没有问题的。有趣的是，希格斯场和弱核力可能不是生命存在所必需的，只有大约2%的原子质量来自希格斯场。几乎所有原子的质量，以及大概宇宙的大部分质量，都来自原子核中存在的能量。
二维世界可能拥有的神经元连接的限制，生命的复杂性又如何呢？科学家在一系列平面2维图中表明，可以与节点建立连接，从而使它们表现出复杂的通信网络。它们不会具有三维大脑的复杂性，但如果它们的大脑更大，它们可以接近这个复杂性。
人脑每个神经元有大约一千个连接。但是我们的神经元在活跃和不活跃阶段受到限制。据估计，在任何给定时间，只有大约10%的连接在工作。因此，每个神经元的有效连接数约为100 个。由于二维平面连接的限制，二维神经元平均每个连接少于6个。另一方面，二维生物可能是 100% 有效的。所以现在我们的比例是6比100。但是如果二维大脑比人脑大16倍（16x6=96），那么它们的处理能力可能会接近人脑。
那么二维生命形式还有哪些限制？生物是由分子组成的二维生物，分子就像二维的珠串。我们习惯的有机化学取决于分子的三维形状以及它们的组成，所以这种二维化学将是限制。然而，这并不排除某种其他形式的同样有效的有机化学来统治二维宇宙。事实上，在 1980 年代，AK Dewdney 等科学家对二维分子的生物化学进行了很多思考。他们的研究表明，二维化学虽然比三维化学简单，但可能也是非常复杂的。
任何有机体要生存和繁衍，就必须能够消耗和处理能量。二维生物的消化道不可能像你我一样完全通过它的身体，因为这会将有机体切成两半，但它可以在释放废物的同一个孔中消耗食物。这可能让我们感到恶心，但这只是我们的价值观对其他生命形式的人择投影。
散热将是一个问题，因为二维生物的相对表面积会比三维生物小得多。在三维中，球体的表面积为 4πR^2，而在二维中的周长仅为2πR。因此，对于任何给定的半径，表面积在二维上都会小得多。所以这个二维生物，为了增加散热的表面积，很可能不会是光滑的。
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(13059114462)： 宇宙的定义是时间和空间的总和,时间是一维,而空间的维度,弦理论的描述是9维,M理论是10维. 弦理论的定义就不用讲了,反正相对于相对论,弦理论可以更好地解释某些现象,但是也有问题,很多时候会产生奇异,即得出无限大的结论...
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(13059114462)： 多维度的空间,人的肉眼看不见.但看不见的事物并不表示不存在.肉眼看到的形象不过是对可见光的感知而已,而可见光在电磁波的大家族中仅仅只是一个极窄的波段;目前科学家已证明很多天体发出的光并不是对於多维空间的存在,科学家...
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(13059114462)： 他是2维的生物啊~~ 你说手的实验,蚂蚁单纯就是前进....管你是什么角度 下雨的话估计就是世世代代的经验问题,就想人一样,犯错一次到几百次就不会这样做了... 蚂蚁以前就是不搬食物被水冲,时间就懂了呗~~
#靳嵇文# 宇宙除了三维物体之外,存在二维或一维物体吗 -
(13059114462)： 多维空间定义“维”是一种度量,在三维空间坐标上,加上时间,时空互相联系,就构成四维时空.现在科学家的理论认为整个宇宙是十一维的,只是人类的理解只能理解到3维,打个比喻:一个智能生物生活在我们周围,但只能理解二维,那...
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(13059114462)： 如果这些额外的维数确实存在,为什么我们没有觉察到它们呢?为何我们只看到三维空间和一维时间呢?一般认为,其他的维数被弯卷到非常小的尺度——大约为1英寸的一百万亿亿亿分之一的空间, 人们根本无从觉察这么小的尺度.我们只能...
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(13059114462)： 宇宙这个词太大了 如果宇宙有边界的话,那么边界以外是什么呢?难道边界以外就不是属于宇宙之内的吗?人的大脑还无法想象.所以说现阶段人宇宙是无限大的.就像人类以前不知道地球是圆的一样.随著人类...
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#靳嵇文# 宇宙是2维的么 -
(13059114462)： 目前可以肯定宇宙至少是四维.二维是平面的,三维是立体的,四维比三维多出的一维是时间.你想啊,地球都三维了,宇宙能是二维……
#靳嵇文# 怎么解释我们生活的维度空间? -
(13059114462)： 你要能问爱因斯坦 我给你1000000W现在科学家的理论认为整个宇宙是十一维的,只是人类的理解只能理解到3维,打个比喻:一个智能生物生活在我们周围,但只能理解二维,那它就处在二维世界了吗?但在它们周围的我们却分明认为是三维...
我们没有看到四个或五个大空间维度的一个原因是，生命不能存在于三个以上的大维度中。为什么呢？因为围绕恒星的稳定椭圆轨道不可能超过三个维度，添加的维度越多，引力就越弱。例如，在四个空间维度中，引力随距离的倒数立方而变化，而不是距离的平方。结果，即使是很小的扰动（例如其他行星的引力），也会使绕太阳运行的地球要么朝向太阳中心，要么螺旋形远离太阳。没有稳定椭圆轨道意味着没有太阳系，也可能没有生命。因此，生命大概不可能存在。
另一个很好的理由是，使用 LIGO 检测到的引力波的最新数据表明不存在更高维度，因为如果存在更高维度，我们预计会看到一些引力泄漏到这些其他维度中。这表现在它到达地球的时间，但我们没有看到这种减弱。因此，如果存在更多的维度，它们就存在于非常小的尺度上，在普朗克长度的尺度上，弦理论的微小弦可以在其中振动。你可能会问：“为什么生命不能在这些小尺度上存在？” 这些尺度是如此之小，以至于连原子都无法适应这些尺度。如果一个原子是地球的大小，这些尺寸甚至比瓢虫还要小！
但是二维呢？为什么生命不能存在于二维？与更高维度不同，我们确定确实存在两个空间维度。大多数科学家认为二维生命是不可能的，但有科学家发现，二维生命存在的障碍并非不可逾越。
有两个主要论据反对二维生命的可能性。首先，根据广义相对论，引力需要三个空间维度和一个时间维度。换句话说，没有足够的自由度让空间在二维中弯曲。其次，科学家们认为，每个神经元需要数百个连接的复杂大脑的神经网络，无法在二维上形成足够的连接，因为与三维相比，连接的数量在物理上是有限的。
如何破解这些问题？让我们从引力问题开始。在二维中，时空如何弯曲并没有足够的自由度，这意味着二维世界并不存在引力。这似乎提出了与四个维度相同的无轨道问题。但是没有什么能迫使引力只能由广义相对论来定义，可能存在其他自由度，例如简单的标量场，它将允许围绕点源的稳定轨道，它实际上等同于二维弯曲。
其余的物理呢？标准模型中的其他三种基本力——强力、弱力和电磁力是否仍然存在？二维不会是限制因素，因为二维为各个方程的工作提供了足够的自由度。例如，二维原子可能存在，因为在原子核中存在将质子和中子结合在一起的强核力。电子可以围绕原子核运行，因为电磁力也应该存在。此外，原则上，希格斯场是没有问题的。有趣的是，希格斯场和弱核力可能不是生命存在所必需的，只有大约2%的原子质量来自希格斯场。几乎所有原子的质量，以及大概宇宙的大部分质量，都来自原子核中存在的能量。
二维世界可能拥有的神经元连接的限制，生命的复杂性又如何呢？科学家在一系列平面2维图中表明，可以与节点建立连接，从而使它们表现出复杂的通信网络。它们不会具有三维大脑的复杂性，但如果它们的大脑更大，它们可以接近这个复杂性。
人脑每个神经元有大约一千个连接。但是我们的神经元在活跃和不活跃阶段受到限制。据估计，在任何给定时间，只有大约10%的连接在工作。因此，每个神经元的有效连接数约为100 个。由于二维平面连接的限制，二维神经元平均每个连接少于6个。另一方面，二维生物可能是 100% 有效的。所以现在我们的比例是6比100。但是如果二维大脑比人脑大16倍（16x6=96），那么它们的处理能力可能会接近人脑。
那么二维生命形式还有哪些限制？生物是由分子组成的二维生物，分子就像二维的珠串。我们习惯的有机化学取决于分子的三维形状以及它们的组成，所以这种二维化学将是限制。然而，这并不排除某种其他形式的同样有效的有机化学来统治二维宇宙。事实上，在 1980 年代，AK Dewdney 等科学家对二维分子的生物化学进行了很多思考。他们的研究表明，二维化学虽然比三维化学简单，但可能也是非常复杂的。
任何有机体要生存和繁衍，就必须能够消耗和处理能量。二维生物的消化道不可能像你我一样完全通过它的身体，因为这会将有机体切成两半，但它可以在释放废物的同一个孔中消耗食物。这可能让我们感到恶心，但这只是我们的价值观对其他生命形式的人择投影。
散热将是一个问题，因为二维生物的相对表面积会比三维生物小得多。在三维中，球体的表面积为 4πR^2，而在二维中的周长仅为2πR。因此，对于任何给定的半径，表面积在二维上都会小得多。所以这个二维生物，为了增加散热的表面积，很可能不会是光滑的。
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